铝合金由于其本身所具有的优点,深受汽车制造、航空航天等领域的青睐。铝合金激光焊接技术成为铝合金在这些领域推广应用的一个主要制约因素。由于铝合金的导热系数很大和其它一些物理性质,使得铝合金的焊接性能很差,用传统的焊接方法(比如TIG焊与MIG焊)焊铝一般都比较困难并且存在很多焊接缺陷,如在焊后容易出现裂纹和气孔,同时焊接过程还会造成低熔点合金元素(如镁、锌)的烧损,这些焊接缺陷严重阻碍了铝合金进一步的应用。激光焊接铝合金正是解决上述问题的有效方法之一。 激光深熔焊接数值模拟中,热源模型的选取直接关系到模拟的准确性。通过对激光深熔焊接机理的分析,建立了一个新的面体组合热源模型来模拟激光深熔焊接的传热过程。这个组合热源模型采用高斯面热源模拟等离子体和表面熔池对工件的加热作用,采用旋转高斯体热源模型来模拟匙孔对工件的加热作用,对激光深熔焊接热过程进行了研究。所作的试验相对比表明使用这种面体组合热源模拟激光深熔焊接温度场分布是合理的。并分析了铝合金激光深熔焊接过程中的温度场、应力应变场分布规律以及各焊接参数的影响,为激光深熔焊接方法的研究奠定基础。 本文在有限元软件ANSYS的基础上建立了铝合金筒体激光焊接三维模型,对简体结构的焊接温度场进行动态模拟在模拟计算时,采用ANSYS软件的热-结构耦合功能,利用间接法,先计算焊接温度场,以温度场的计算结果作为结构分析的载荷,再进行焊接应力和变形的计算。最后通过后处理,给出了不同时刻焊缝处和垂直焊缝处各点的热循环曲线和应力分布曲线,而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。 利用本文模拟分析方法,对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟。简体焊缝处的轴向残余应力均为拉应力,而沿焊缝方向,轴向残余应力一般在焊缝中间处最大。筒体焊缝外表面处的径向残余应力多为压应力,在焊缝中心处,残余应力的峰值小于材料的屈服极限约为0.8σs,沿焊缝方向,先焊处的径向残余应力多为压应力且沿焊缝方向呈递减趋势,垂直焊缝方向,焊件的径向残余应力多在零值附近变动。 通过数值模拟研究,定量揭示了焊件预热温度可以提高铝合金表面对激光束的吸收率,增加焊接能量密度,影响激光深熔焊接熔深和熔宽的变化。并对不同预热温度下的铝合金板进行了激光焊接,得出最佳预热温度范围300℃-400℃。将室温和预热条件下的焊缝成形进行对比,预热后的激光焊接焊缝熔宽明显增大、熔深增加、无咬边、外观均匀光滑。并且研究了铝合金表面吸收率对焊接过程的影响,当铝合金表面吸收率从10％增加到30％时,背面熔透时间下降十分明显,而表面吸收率继续增加,背面熔透时间下降不再明显。还通过以激光功率和焊接速度为参数进行模拟,发现激光功率、焊接速度与焊缝熔深和熔宽具有一定的关系。并且利用该模型分别研究了激光功率和焊接速度对焊缝形状的影响,可以作为工艺试验的指导,从而减少工艺试验次数,可以快速找出最优工艺参数。